DE10246614A1 - Method of making vehicle component with metallic coating from steel sheet or strip, involves coating metal from non-aqueous organic solution before cold forming, hot forming and hardening - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Beschichtung aus Metall oder einer Metalllegierung versehenen Srukturbauteils für den Fahrzeugbau aus einem Band oder einer Platine aus härtbarem Stahl als Grundwerkstoff mit einem Warmformprozess.The invention relates to a method to manufacture one with a coating of metal or one Metal alloy-provided structural component for vehicle construction from one Tape or a board made of hardenable Steel as the base material with a thermoforming process.
Strukturbauteile für den Fahrzeugbau
sind beispielsweise Stoßfänger, Seitenaufprallträger oder Türsäulen. Zur
Herstellung dieser Strukturbauteile hat sich ein mit Metall beschichteter
härtbarer
Stahl als vorteilhaft erwiesen. Dabei soll die Beschichtung den
Stahl sowohl während
des Warmform- und des Härteprozesses
vor Oxidation und Entkohlung schützen
als auch beim fertigen Strukturbauteil einen Korrosionsschutz gewährleisten.
Aus der
Hierbei ist jedoch problematisch, dass Strukturbauteile häufig nicht in einem einzigen Umformschritt umgeformt werden können, so dass die ersten Umformschritte durch ein Kaltformen herbeigeführt werden müssen. Bei einer Tauchbeschichtung des Ausgangsmaterials, sei es ein Stahlband oder eine bereits zugeschnittene oder ausgestanzte Platine, mit Metall oder einer Metalllegierung wird das Band oder die Platine in flüssiges Beschichtungsmaterial getaucht. Aufgrund der hohen Temperatur des Tauchbades kommt es hierbei bereits zur Ausbildung einer intermetallischen Phase zwischen dem Stahl und der Beschichtung durch Diffusion. Hierbei bildet sich zwischen dem Stahl als Grundwerkstoff und der metallischen Schutzschicht als Be schichtung eine Legierungsschicht bzw. Zwischenschicht aus Eisen und dem Beschichtungsmaterial. Sowohl der Grundwerkstoff als auch die Beschichtung lassen sich gut kaltformen, die Legierungsschicht zwischen dem Stahl und der Beschichtung ist jedoch hart und spröde und kann beim Kaltformen reißen. Dadurch können sich Mikrorisse bilden bis zu dem Grad, dass sich die Beschichtung selbst vom Grundwerkstoff ablöst und somit ihre Schutzfunktion verliert.However, this is problematic that structural components are common cannot be formed in a single forming step, so that the first forming steps are brought about by cold forming have to. With a dip coating of the starting material, be it a steel strip or an already cut or punched board, with Metal or a metal alloy becomes the tape or the circuit board in liquid Coating material submerged. Due to the high temperature of the diving pool this already leads to the formation of an intermetallic Phase between the steel and the coating by diffusion. in this connection forms between the steel as the base material and the metallic one Protective layer as coating an alloy layer or intermediate layer from iron and the coating material. Both the base material as well as the coating can be cold formed well, the alloy layer between the steel and the coating, however, is hard and brittle and can tear during cold forming. This allows Micro cracks form to the extent that the coating detaches itself from the base material and thus loses its protective function.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem auch komplizierte Konfigurationen eines Strukturbauteils aus mit Metall beschichtetem härtbaren Stahl für den Fahrzeugbau bereit gestellt werden können.The object of the invention is therefore propose a method based on the prior art with which also complicated configurations of a structural component Made of hardenable coated with metal Steel for vehicle construction can be provided.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 oder 2 angegebenen Merkmalen gelöst.This task is carried out in the claims 1 or 2 specified features solved.
Die Lösung nach Anspruch 1 sieht vor, dass zunächst auf einem Band oder einer Platine aus härtbarem Stahl als Grundwerkstoff eine Beschichtung aus Metall oder einer Metalllegierung mittels eines galvanischen Beschichtungsverfahrens in organischer nichtwäßriger Lösung aufgebracht wird.The solution according to claim 1 sees before that first on a belt or a circuit board made of hardenable steel as the base material a coating of metal or a metal alloy by means of a galvanic coating process applied in organic non-aqueous solution becomes.
Elektrochemische (galvanische) Beschichtungsverfahren beruhen auf der Abscheidung von Metallen aus salzhaltigen Lösungsmitteln auf einem Substrat. Zwei Elektroden, das Substrat als Kathode und das Beschichtungsmaterial als Anode, werden in einer geeigneten Elektrolytlösung eingetaucht. Als Substrat wird hierbei das Band oder die Platine aus härtbarem Stahl verwandt. Ein besonders gut geeignetes und daher bevorzugtes Beschichtungsmaterial ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Alternativ eignet sich auch Zink oder eine Zinklegierung.Electrochemical (galvanic) coating processes are based on the deposition of metals from saline solvents on a substrate. Two electrodes, the substrate as cathode and the coating material as an anode, are in a suitable electrolyte solution immersed. The tape or board is used as the substrate from curable Steel related. A particularly suitable and therefore preferred Coating material is aluminum or an aluminum alloy. Alternatively, zinc or a zinc alloy is also suitable.
Wird das Beschichtungsverfahren in einer organischen nichtwäßrigen Lösung durchgeführt, entfällt die Bildung von Wasserstoff, die sonst bei härtbaren Stählen zu einer unerwünschten Wasserstoffversprödung des Stahls führt. Bei einer Beschichtung mit Aluminium beispielsweise werden neben einer Anzahl von Aluminiumhalogenid – und – hydridlösungen in Aromaten und Ethern Elektrolyten mit Aluminiumalkylkomplexen verwandt. Bei letzteren werden zwei Aluminiumatome durch Alkyle (R) wie Methyl, Ethyl, Propyl oder Butyl und Fluor in einem linearen Molekül der allgemeinen Formel KF 2AlR3 gebunden. Im aromatischen Lösungsmittel Toluol bilden sich Molekülionen, die bei 100° C die für die Galvanik notwendige elektrische Leitfähigkeit von ca. 25 mS.cm–1 erzeugen.If the coating process is carried out in an organic non-aqueous solution, the formation of hydrogen is eliminated, which otherwise leads to an undesirable hydrogen embrittlement of the steel in hardenable steels. When coating with aluminum, for example, in addition to a number of aluminum halide and hydride solutions in aromatics and ethers, electrolytes with aluminum alkyl complexes are used. In the latter case, two aluminum atoms are bound by alkyls (R) such as methyl, ethyl, propyl or butyl and fluorine in a linear molecule of the general formula KF 2AlR 3 . Molecular ions form in the aromatic solvent toluene, which generate the electrical conductivity of approx. 25 mS.cm –1 required for electroplating at 100 ° C.
Durch eine nichtwäßrige Vorbehandlung des Bandes oder der Platine vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang kann eine Feinentfettung entfallen. Sodann wird das Band oder die Platine über eine mit Stickstoff geflutete Vakuumschleuse in die mit Stickstoff beaufschlagte Behandlungskammer geführt, in der Vorbehandlungsbäder, Zwischenspülbäder, die Aluminierzelle und das Ausfuhrwaschbad untergebracht sind. Wenn die Vorbehandlung und die Aluminierung unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, kann sich nach der Vorbehandlung keine, die Haftung vermindernde Oxidschicht auf den zu beschichtenden Teilen bilden und die im Aluminierbad verwendeten Aluminiumalkylkomplexe können nicht mit Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff zu inaktiven Nebenprodukten wie beispielsweise Aluminiumhydroxide, Alkoholate und Alkane abreagieren. Nach der Vorbehandlung und den Zwischenspülungen werden die zu beschichtenden Teile in die Aluminierzelle eingesetzt. Die Aluminierung wird unter Verwendung von Umpolstrom bei etwa 100° C durchgeführt. Unlösliche Aluminiumanodenbestandteile werden kontinuierlich aus den Elektrolyten gefiltert, um eine glatte Aluminiumabscheidung zu sichern. Aus dem Toluoldampf in der Zelle gewinnt man durch Kondensation reines Toluol, welches die Elektrolytkonzentration im Ausfuhrwaschbad niedrig hält. Nach dem Beschichtungsprozeß werden die Teile in einem Spülbad von Elektrolytresten gereinigt. Die Produkte verlassen die Beschichtungsanlage über eine Vakuumschleuse.Fine degreasing can be eliminated by non-aqueous pretreatment of the strip or the board before the actual coating process. The strip or the circuit board is then fed via a vacuum lock flooded with nitrogen into the nitrogen-treated treatment chamber, in which pretreatment baths, intermediate rinsing baths, the aluminizing cell and the export washing bath are accommodated. If the pretreatment and aluminization are carried out under a nitrogen atmosphere, no oxide oxide, which reduces the adhesion, can form on the parts to be coated and the aluminum alkyl complexes used in the aluminizing bath cannot form inactive by-products such as aluminum hydroxides, alcoholates and alkanes with atmospheric moisture and oxygen react. After the pretreatment and the intermediate rinsing, the parts to be coated are inserted into the aluminizing cell. The aluminization is carried out using reverse polarity current at about 100 ° C. Insoluble aluminum anode components are continuously filtered out of the electrolytes to ensure a smooth aluminum deposit. From the toluene vapor in the cell, pure toluene is obtained by condensation, which keeps the electrolyte concentration in the export wash bath low. After the coating process, the parts are rinsed in a Electrolyte residues cleaned. The products leave the coating system via a vacuum lock.
Bei dem beschriebenen galvanischen Beschichtungsverfahren wird die Oberfläche des Grundwerkstoffs nicht aufgeschmolzen. Der Stahl als Grundwerkstoff erwärmt sich nur unwesentlich, eine intermetallische Phase zwischen dem Grundwerkstoff und der Beschichtung bildet sich aufgrund des relativ geringen Wärmeeintrags in den Stahl nicht aus. Auch eine Wasserstoffversprödung tritt nicht ein.With the described galvanic Coating process does not become the surface of the base material melted. The steel as the base material heats up only slightly, an intermetallic phase between the base material and the Coating forms due to the relatively low heat input not out in the steel. Hydrogen embrittlement also occurs not a.
Da erst die intermetallische Phase zu einer Legierungsschicht zwischen dem Stahl und der Beschichtung führt, die sich nicht oder nur schlecht kaltformen lässt, kann eine Platine, die mittels eines galvanischen Verfahrens in organischer nichtwäßriger Lösung beschichtet worden ist oder aus einem derart beschichteten Band entnommen wurde, anschließend in einem oder mehreren Schritten bis in die Nähe der Endform kalt umgeformt werden, wobei die Beschichtung ohne sich zu lösen und damit ohne Verlust ihrer Schutzfunktion erhalten bleibt.Then the intermetallic phase to an alloy layer between the steel and the coating leads, which is difficult or difficult to cold mold, can be a board that coated by means of a galvanic process in organic non-aqueous solution has been or has been removed from a tape coated in this way, subsequently Cold formed in one or more steps to the vicinity of the final shape the coating without loosening and therefore without loss its protective function is maintained.
Im anschließenden Warmformprozess wird das vorgeformte Strukturbauteil in einem oder mehreren Schritten warm umgeformt, auf über Ac3- Temperatur erwärmt und durch Abschrecken gehärtet. Bevorzugt wird hierbei die Härtung gleichzeitig mit dem letzten Umformschritt im Werkzeug ausgeführt.In the subsequent thermoforming process, the preformed structural component is thermoformed in one or more steps, heated to above Ac 3 temperature and hardened by quenching. The hardening is preferably carried out simultaneously with the last forming step in the tool.
Mit der Erwärmung bildet sich die intermetallische Phase zwischen dem Grundwerkstoff und der Beschichtung aus. Bei einer Beschichtung mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung diffundieren beispielsweise Aluminiumatome in die Stahloberfläche und Eisenatome in die Aluminiumbeschichtung. Dadurch bildet sich zwischen dem Stahl und der Aluminiumbeschichtung eine Legierungsschicht, die die gesamte Oberfläche des Grundwerkstoffs ohne Lücken und Risse überzieht und die ein Abschmelzen der Beschichtung während des Warmform- und Härteprozesses verhindert. So ist das vorgeformte Strukturbauteil während des Warmform- und Härteprozesses vor Oxidation und Entkohlung sowie das endgeformte und gehärtete Strukturbauteil vor Korrosion geschützt.With the heating, the intermetallic forms Phase between the base material and the coating. at diffuse a coating with aluminum or an aluminum alloy for example aluminum atoms in the steel surface and iron atoms in the aluminum coating. This forms between the steel and the aluminum coating an alloy layer covering the entire surface of the base material without Gaps and covers cracks and the melting of the coating during the thermoforming and hardening process prevented. So is the preformed structural component during the Hot forming and hardening process against oxidation and decarburization as well as the final molded and hardened structural component protected against corrosion.
Alternativ kann gemäß Anspruch 2 die Platine aus härtbarem Stahl zunächst bis in die Nähe der Endform des Strukturbauteils kalt umgeformt werden, da während der Kaltformung mangels Wärmeeintrags keine Oxidation oder Entkohlung auftritt. Anschließend wird das vorgeformte Strukturbauteil mit einem galvanischen Beschichtungsverfahren in organischer nichtwäßriger Lösung mit Metall oder einer Metalllegierung beschichtet. Im sich daran anschließenden Warmform- und Härteprozess, der bevorzugt zeitgleich mit dem letzten Umformschritt im Werkzeug stattfindet, bildet sich durch die Erwärmung des vorgeformten Strukturbauteils die intermetallische Phase aus, was zu einer Legierungsschicht zwischen dem Stahl und der Beschichtung führt, die die Oberfläche des Strukturbauteils ohne Lücken und Risse überzieht und das vorgeformte Strukturbauteil während des Warmform- und Härteprozesses vor Oxidation und Entkohlung sowie das endgeformte und gehärtete Strukturbauteil vor Korrosion schützt.Alternatively, according to claim 2 the circuit board made of hardenable Steel first up close the final shape of the structural component are cold formed, because during the Cold forming due to lack of heat input no oxidation or decarburization occurs. Then will the preformed structural component with a galvanic coating process in organic non-aqueous solution with Coated metal or a metal alloy. In the subsequent thermoforming and hardening process, which preferably coincides with the last forming step in the tool takes place, is formed by the heating of the preformed structural component the intermetallic phase resulting in an alloy layer between the Steel and the coating leads the the surface of the structural component without gaps and covers cracks and the preformed structural component during the thermoforming and hardening process before oxidation and decarburization as well as the final molded and hardened structural component protects against corrosion.
Der Vorteil von Alternative
Für beide erfindungsgemäßen Alternativen gilt aber, dass jetzt auch Strukturbauteile mit komplizierten Endformen ohne weiteres aus mit Metall oder einer Metalllegierung beschichtetem härtbarem Stahl hergestellt werden können, ohne dass mit Beschädigungen der Beschichtung während des Umformvorgangs gerechnet werden muss. Dadurch können kostspielige und aufwendige Reinigungsprozesse des endgeformten Strukturbauteils sowie eine nachgeschaltete Beschichtung zum Korrosionsschutz entfallen.For both alternatives according to the invention apply but that now structural components with complicated end shapes readily made of coated with metal or a metal alloy curable Steel can be made without causing damage the coating during of the forming process must be expected. This can result in costly and complex cleaning processes of the final molded structural component as well as a subsequent coating for corrosion protection are not required.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben.
Als Grundwerkstoff wird eine Platine aus einem Stahlband der folgenden
Zusammensetzung in Gewichtsprozent ausgedrückt ausgestanzt:
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.Remainder iron including melting related Impurities.
Die Platine wird mittels eines galvanischen Beschichtungsverfahrens in einer organischen nichtwäßrigen Lösung aus KF (1,5 AlEt3. 0,25 Al-i-Bu3. 0,25 AlMe3). C7H8 bei einer Abscheidetemperatur von 100° C und einer Abscheidespannung von 5–30 V sowie einer Abscheiderate von 12 μm bei 1 A/dm2 mit einer Galvano-Aluminium-Beschichtung beschichtet.The board is made by means of a galvanic coating process in an organic non-aqueous solution made of KF (1.5 AlEt 3. 0.25 Al-i-Bu 3. 0.25 AlMe 3 ). C7H8 at a deposition temperature of 100 ° C and a deposition voltage of 5–30 V and a deposition rate of 12 μm at 1 A / dm 2 with a galvano-aluminum coating coated.
Nach dem Beschichten wird die beschichtete Platine in einer oder mehreren Pressen in einer oder mehreren Stufen kalt bis in die Nähe der Endkonfiguration vorgeformt. Mögliche endgeformte Bauteile sind beispielsweise A- und B-Säulen, Stoßfänger und Komponenten des Seitenaufprallschutzes von Kraftfahrzeugen. Das vorkonfigurierte Bauteil wird anschließend vorzugsweise bis auf Temperaturen zwischen 800° und 1100° C erwärmt. Während der Wärmebehandlung entsteht an der Oberfläche des Grundwerkstoffs eine intermetallische Phase, die sich aus den Elementen der Beschichtung und des Grundwerkstoffs zusammensetzt und der Beschichtung die nötige Haftfähigkeit verleiht. Direkt nach der Erwärmung wird das Bauteil in einer weiteren Presse durch eine Warmumformung in die Endform gebracht und gleichzeitig durch Abschrecken im Werkzeug gehärtet. Da der letzte Umformschritt bedingt durch die Vorkonfiguration nur noch einen vergleichsweise geringen Umformgrad bewirkt, entstehen in der im Verhältnis spröden Legierungsschicht keine Risse, die die Schutzfunktion der Beschichtung beeinträchtigen könnten. Da die erhaltenen Schichtdicken homogen und verhältnismäßig dünn ausfallen, sind sie gut schweißbar. Zudem kann die Schichtdicke praktisch beliebig gewählt werden.After coating, the coated board cold in one or more presses in one or more stages up close preformed to the final configuration. Possible final molded components are for example A and B pillars, Bumpers and components the side impact protection of motor vehicles. The preconfigured Component is then preferably heated to temperatures between 800 ° and 1100 ° C. During the heat treatment, the surface of the base material an intermetallic phase, which results from the Elements of the coating and the base material and the coating the necessary adhesiveness gives. Immediately after heating the component is thermoformed in another press brought into the final shape and at the same time by quenching in the tool hardened. Because the last forming step is due to the pre-configuration only still causes a comparatively low degree of deformation in the in proportion brittle Alloy layer no cracks, the protective function of the coating could affect. There the resulting layer thicknesses are homogeneous and relatively thin, they are easy to weld. moreover the layer thickness can be chosen practically arbitrarily.
Die einzige Figur beschreibt schematisch die möglichen Prozeßabläufe des erfindungsgemäßen Verfahrens.The only figure describes schematically the possible Process flows of the inventive method.
Dabei sind insbesondere die verschiedenen Möglichkeiten
zur Integration des Beschichtungsprozesses (
Alternativ dazu kann eine aus dem
Coil
Selbstverständlich kann eine galvanische Beschichtung
in organischer nichtwäßriger Lösung auch
nach Abschluss des Warmformprozesses und der Härtung in der gekühlten Presse
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